編織型可降解輸尿管支架管的力學(xué)性能研究*

李文超 鄒 婷 王文祖 王 璐

(東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620)

輸尿管支架管作為泌尿?qū)W領(lǐng)域臨床廣泛使用的一種醫(yī)療器械主要用來(lái)修復(fù)尿路阻塞和損傷［1］。隨著生物可降解材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，泌尿外科專家對(duì)于可降解材料在輸尿管支架管上的應(yīng)用探究越來(lái)越多［2］。暫時(shí)性可降解輸尿管引流管在患者做完無(wú)合并癥的輸尿管鏡手術(shù)后可以起到很好的引流作用，同時(shí)患者無(wú)不適感，可降解輸尿管支架管還可以避免二次手術(shù)取出［3］。但是可降解輸尿管支架管的研究并不成熟，與目前臨床上使用的不可降解輸尿管支架管相比，其力學(xué)性能尚不能滿足使用要求，從而導(dǎo)致引流的失敗。力學(xué)性能對(duì)輸尿管支架管的使用和患者舒適性有很大的影響［4］。據(jù)報(bào)道，由于患者受到較大的支架管不能承受的外力而導(dǎo)致的輸尿管支架管引流失敗案例高達(dá) 50%［5］。研究［6］指出，要加工成植入體內(nèi)的輸尿管支架管的材料應(yīng)當(dāng)具有很好的強(qiáng)力、可撓曲性及較低的表面摩擦力等。理想的輸尿管支架管應(yīng)具有良好的生物相容性，以及較高的軸向強(qiáng)力和徑向支撐等力學(xué)性能［7-8］。

我們?cè)O(shè)計(jì)了一批可降解輸尿管支架管，支架管由聚乙交酯(PGA)和聚乙丙交酯(PGLA)紗線編織而成。它植入體內(nèi)后可以在一定時(shí)間內(nèi)逐步降解，避免了二次手術(shù)取出。這種支架管對(duì)其力學(xué)性能提出了要求，降解過(guò)程中在一定時(shí)間內(nèi)要保持一定的力學(xué)性能，起到良好的支撐和引流作用。本文是可降解輸尿管支架管系列研究中的一個(gè)部分，主要探討輸尿管支架管的力學(xué)性能(徑向壓縮和軸向拉伸)評(píng)價(jià)，以及支架管力學(xué)性能與其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制備工藝之間的關(guān)系，為得到具有最佳性能的理想的支架管提供一定的理論和實(shí)踐支撐。

1 材料和制備方法

本文所研究的可降解輸尿管支架管首先由PGA和PGLA長(zhǎng)絲(見(jiàn)表1)編織成管狀織物［9-10］，采用32錠規(guī)則編織結(jié)構(gòu)，帶芯編織。有兩種紗線排布形式：一種是用1根PGA紗和2根PGLA紗并線后得到的紗線原料均勻編織，為A型支架管(見(jiàn)圖1);另一種的紗線原料有兩種并線方式，一是1根PGA紗和2根PGLA紗并線，二是3根PGA紗并線，兩種并合后的紗線原料在兩個(gè)編織方向上都交替分布編織而成的支架管，為 B型支架管(見(jiàn)圖2)。每一種支架管的編織工藝均采用5種編織齒輪配比，即牽拉機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪為140齒，從動(dòng)輪分別為 14、18、22、26、30 齒，相應(yīng)的齒輪比為10.00、7.78、6.36、5.38、4.67。

表1 支架管的紗線原料性能

圖1 A型支架管

由于PGA與PGLA紗線粗細(xì)相近，所以影響支架管結(jié)構(gòu)的主要編織工藝參數(shù)為齒輪比。齒輪比直接決定了錠子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度(紗線作圓周運(yùn)動(dòng)的速度)和管狀織物的牽拉速度(紗線作軸向運(yùn)動(dòng)的速度)，從而影響編織點(diǎn)的高度H和編織工藝角θ。編織工藝角是指編織過(guò)程中，攜紗器至編織點(diǎn)間的紗線與織物牽拉方向所形成的夾角。在帶芯編織的情況下，最終制得的管狀編織物的編織角可以近似等于編織過(guò)程中的編織工藝角。編織成管狀織物后對(duì)其進(jìn)行熱處理，最終得到外徑為(1.75±0.035)mm、壁厚為0.115 mm的輸尿管支架管。另外，選擇臨床上使用的不可降解聚氨酯材料的輸尿管支架管(外徑1.85 mm、壁厚0.300 mm)作為對(duì)照樣。

圖2 B型支架管

2 測(cè)試方法

2.1 徑向壓縮性能測(cè)試

徑向壓縮性能測(cè)試在山東萊州市電子儀器有限公司特制的LLY-06D型人造生物管道徑向壓縮儀上進(jìn)行［11］。測(cè)試過(guò)程如下：

(1)將試樣(5 cm長(zhǎng))放在試樣臺(tái)上;

(2)以10 mm/min的加載速度對(duì)試樣中部進(jìn)行壓縮至試樣初始直徑的50%，記錄最大壓縮強(qiáng)力作為徑向壓縮強(qiáng)力;

(3)持續(xù)壓縮10 s后，以10 mm/min的卸載速度移除壓力，記錄外力完全移除后支架管相對(duì)壓縮50%的形變回復(fù)量與壓至50%的形變量比值作為急彈性回復(fù)率。

取3次測(cè)試的平均值作為結(jié)果。

2.2 軸向拉伸性能測(cè)試

輸尿管支架管的軸向拉伸性能測(cè)試在溫州大榮儀器有限公司特制的YG-B 026H型生物醫(yī)用材料多功能強(qiáng)力儀上進(jìn)行，參考 ISO 7198—1998［12］標(biāo)準(zhǔn)。夾距為30 mm，拉伸速度為50 mm/min。記錄拉伸斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率，結(jié)果取3次測(cè)試的平均值。

3 結(jié)果及分析

3.1 徑向壓縮性能

編織型可降解輸尿管支架管A和不可降解支架管的徑向壓縮性能如圖3所示。由圖3可知，支架管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始階段幾乎為直線，到達(dá)25.0%左右形變時(shí)為支架管的屈服點(diǎn)，較小的增力即可產(chǎn)生較大的形變，它的急彈性形變回復(fù)率為75.8%;與不可降解支架管相比，它具有更高的徑向壓縮強(qiáng)力，但是急彈性回復(fù)率低于不可降解支架管(96.3%)。這說(shuō)明可降解支架管具有更好的抵抗外力壓縮的能力，即在相同的外部壓力作用下可降解支架管的變形更小，但是一旦外力去除，它在短時(shí)間內(nèi)回復(fù)到原來(lái)形態(tài)的能力稍弱;而不可降解支架管則能較好地回復(fù)到最初的形態(tài)。

圖3 支架管的徑向壓縮曲線

A型和B型支架管被壓縮到初始直徑50%時(shí)的徑向壓縮強(qiáng)力如圖4所示。在其他條件不變的情況下，兩種支架管的徑向壓縮強(qiáng)力都隨著齒輪比的減小而減小。這是由于齒輪比減小，編織速度不變，而牽拉速度增加，從速度的分解角度看，反映在單根紗線上的情況就是圍繞內(nèi)芯作圓周運(yùn)動(dòng)的速度不變，而沿軸向作直線運(yùn)動(dòng)的速度增大，使得紗線軌跡的螺旋角減小。相應(yīng)地，軸向單位長(zhǎng)度支架管上的紗線含量也就減少，表現(xiàn)為密度減小，紗線之間的交叉擠壓減少，單位面積的紗線覆蓋根數(shù)減少，紗線間的空隙增大，單位面積的紗線量減少，承受壓力的能力也就變小。但是這種減小的趨勢(shì)逐漸平緩，這是由于從動(dòng)齒輪的齒數(shù)雖等差增大，但是傳動(dòng)速度的比例減小;另外熱塑性材料PGA和PGLA在熱處理過(guò)程中受熱軟化，纖維中的大分子彼此相對(duì)滑動(dòng)，空隙減少，使織物密度對(duì)壓縮性能的影響稍微降低。

圖4 支架管的徑向壓縮強(qiáng)力

A型支架管比B型有更高的徑向壓縮強(qiáng)力，這是由于A型支架管中含有更多的PGLA紗線。在熱處理過(guò)程中PGLA紗線熔融后冷卻變成了非纖維態(tài)的特殊結(jié)構(gòu)，對(duì)PGA纖維構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)起到了增強(qiáng)的作用，所以可以承受更大的壓縮力。

3.2 軸向拉伸性能

可降解輸尿管支架管和不可降解支架管的軸向拉伸性能如圖5所示。可以看出，可降解支架管有更高的初始模量和拉伸強(qiáng)力，但是不可降解支架管的斷裂伸長(zhǎng)比可降解的要大得多。可降解支架管表現(xiàn)出較高的初始模量得益于其增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，但是PGLA形成的特殊結(jié)構(gòu)比較脆，較小的變形即斷裂，然后沿著支架管軸向螺旋編織的紗線不斷地被拉伸直到斷裂。在此過(guò)程中承受拉力的主要是紗線，由于紗線先是由螺旋狀拉伸成平行于軸向，因此模量先減小后增大。

圖5 支架管的軸向拉伸曲線

可降解輸尿管支架管的軸向拉伸強(qiáng)力表現(xiàn)出同徑向壓縮強(qiáng)力類似的特點(diǎn)，也是隨齒輪比的減小而減小并趨于平緩(見(jiàn)圖6)。齒輪比越小，管狀織物的編織角越小。由于編織時(shí)采用的是消極給紗方式，在編織時(shí)紗線內(nèi)應(yīng)力增大，即與齒輪比大的支架管相比，齒輪比小的支架管在拉伸試驗(yàn)前就已受到一定程度的拉伸，所以在拉伸試驗(yàn)時(shí)受較小的力就會(huì)被破壞。

圖6 支架管的軸向拉伸強(qiáng)力

與壓縮試驗(yàn)不同的是，相同密度的A型支架管的軸向拉伸強(qiáng)力總是小于B型支架管，這是由于PGA和PGLA的比例不同造成的。PGLA特殊的結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生較小的形變即斷裂，因此承受拉伸力的主體是PGA纖維，而B(niǎo)型支架管的PGA含量明顯多于A型支架管，所以B型支架管具有更高的軸向拉伸強(qiáng)力。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，我們?cè)O(shè)計(jì)的可降解輸尿管支架管比不可降解支架管有更好的抵抗外力的能力，但是就彈性回復(fù)性能來(lái)說(shuō)，前者弱些。A型支架管與B型相比表現(xiàn)出較高的徑向壓縮強(qiáng)力，但是軸向拉伸強(qiáng)力較低，在A型支架管中PGLA的含量更多，使它變得硬脆。A型和B型兩種支架管的軸向拉伸強(qiáng)力都大于不可降解支架管對(duì)照樣，但從彈性回復(fù)角度看B型與對(duì)照樣更接近，優(yōu)于A型，并且出于強(qiáng)度方面考慮，最理想的編織齒輪比為10.00，即 140∶14。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)各有5個(gè)編織密度的兩種類型可降解輸尿管支架管進(jìn)行了徑向壓縮和軸向拉伸性能測(cè)試，得到以下結(jié)論：

(1)PGA和PGLA紗線的分布和含量對(duì)支架管的力學(xué)性能有很大影響，PGLA含量越多，支架管的徑向壓縮強(qiáng)力越大，但軸向拉伸強(qiáng)力越小。

(2)支架管的編織齒輪比決定了編織密度，隨著齒輪比的減小，即編織密度的減小，支架管的徑向壓縮強(qiáng)力和軸向拉伸強(qiáng)力都減小，但趨于平緩。

(3)自主設(shè)計(jì)的編織型可降解輸尿管支架管的徑向壓縮強(qiáng)力和軸向拉伸強(qiáng)力均大于臨床上應(yīng)用的不可降解支架管，但彈性回復(fù)性能不如后者，這有待進(jìn)一步深入研究。

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